超導濾波器在TD-SCDMA基站等網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的作用

0 前言

超導技術(shù)被認為是21世紀具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)之一，在能源、信息、交通、儀器儀表、國防等方面都有重要應用。目前世界各國均在積極開展超導應用技術(shù)的研究。

超導濾波器利用導體在極低溫（-200℃左右）時導體電阻近似為零的原理制成帶通濾波器，應用于移動通信基站接收機前端，大幅改善移動基站上行鏈路性能，提高基站接收機靈敏度，降低帶內(nèi)、帶外各種干擾，從而改善信號傳輸質(zhì)量，擴大上行覆蓋面積，提高信號傳輸速率。

研究超導濾波器在TD-SCDMA基站等網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的作用對我國目前正在積極發(fā)展的TD-SCDMA系統(tǒng)和2G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化具有重要意義。

1 移動通信的上行與下行鏈路分析

1.1 移動通信主要受限于上行鏈路

移動通信基站的發(fā)射功率遠大于手機發(fā)射功率，而基站接收機的靈敏度與手機接收機靈敏度相差無幾。因此，移動通信主要受限于上行鏈路，上行覆蓋區(qū)往往小于下行覆蓋區(qū)。

此外，隨著用戶不斷增加，移動通信網(wǎng)絡(luò)勢必要增加基站數(shù)量。這使得進入基站接收機的干擾和噪聲日益增多，加重了上行鏈路的負擔。

1.2 改善上行鏈路的一般方法

改善上行鏈路的一般方法是：在基站發(fā)射機RF輸出端加裝腔體濾波器，來抑制基站發(fā)射機的雜散輻射。基站接收機采用分集接收方式，并在RF輸入端也采用腔體濾波器，以提高接收機靈敏度并抑制各種帶外干擾。

然而，由于腔體濾波器的Q值只能達5000左右，通帶損耗比較大，阻帶抑制度不夠，過渡帶也不夠陡峭。因此，這個方法并不能有效解決上行鏈路受干擾問題，基站接收機的帶內(nèi)干擾和底噪聲仍然比較高，基站容量利用率與接收靈敏度不高。

2 超導濾波器是解決基站干擾最佳方法之一

超導濾波器是利用導體在極低溫（約-200℃）時表面電阻近似為零的特性制成的濾波器，其Q值可達10萬，高于腔體濾波器的Q值近20倍。因此，超導濾波器具有極小的通帶插損（<0.1dB）、極高的阻帶抑制（>60dB）和極陡峭的過渡帶（-100dB/400KHz）。

配備在超導濾波器之后同樣在超低溫工作條件下的低噪放（LNA）（增益：12dB），具有極低的噪聲系數(shù)（<0.5dB）。作為基站接收機的射頻前端設(shè)備，它可以比較徹底地抑制基站接收機的各種干擾，并且提高接收機的靈敏度，基本能夠解決移動通信的上行技術(shù)瓶頸問題。此外，超導濾波器安裝在基站主接收機和分集接收機上，不影響分集接收機的抗多徑衰落功能。

目前，超導濾波器大幅改善移動通信基站利用率的實例已經(jīng)很多。例如，“STI”公司已在美國大量使用安裝超導濾波器的基站（包括CDMA基站和GSM基站），基站運行情況表明超導濾波器起到了優(yōu)化移動通信網(wǎng)絡(luò)的效果，比如改善了信號質(zhì)量，降低掉話率和阻塞率，擴大了CDMA網(wǎng)絡(luò)容量，使得CDMA手機發(fā)射功率下降等。

3 超導濾波器核心技術(shù)與器件

美國STI公司是目前世界上唯一擁有全套超導濾波器技術(shù)與專利并形成大規(guī)模商用產(chǎn)品生產(chǎn)的公司。它擁有兩個已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的核心器件：高階薄膜濾波器和小體積制冷設(shè)備。

中國寶力集團于2007年8月收購并控股“STI”公司，并在中國成立合資公司“寶力超導技術(shù)有限公司”，把美國STI公司全套專利技術(shù)轉(zhuǎn)移到中國，并組建生產(chǎn)基地，以降低生產(chǎn)成本，更好地為中國無線電通信產(chǎn)業(yè)服務。

4 我國目前移動通信的狀況分析

目前，我國移動通信用戶數(shù)已經(jīng)超過5億。規(guī)模較大城市的市中心區(qū)域的話務量巨大，基站數(shù)量也隨之猛增�；�站小區(qū)分裂后，有的基站間距僅有500m。由此可見，在大城市中心區(qū)，移動通信網(wǎng)絡(luò)面臨容量不足的問題。增加基站增加容量，但基站過于密集則會產(chǎn)生多種干擾使基站容量下降。

4.1 基站間的干擾分析

移動通信基站之間的干擾大多是由于不同網(wǎng)絡(luò)上行與下行的頻段間隔較小、下行3階互調(diào)或5階互調(diào)造成的。大致有下列四種。

（1）CDMA下行對移動GSM上行干擾。

我國CDMA的下行頻段為870MHz～880MHz，移動GSM上行頻段現(xiàn)已擴展到885MHz～909MHz，兩者間隔僅5MHz。CDMA下行鏈路的3階互調(diào)分量880MHz～890MHz、5階互調(diào)分量890MHz～900MHz以及7階互調(diào)分量900MHz～910MHz均可進入GSM上行，形成干擾。這種現(xiàn)象在CDMA基站和GSM基站位置比較靠近時，格外嚴重。

（2）3G（TDD主） 1880MHz～1920MHz下行對3G（FDD主）1920MHz～1980MHz上行干擾。

當啟用3G（TDD）1880MHz～1920MHz時，它下行的互調(diào)分量必將干擾相鄰的、沒有頻率間隔的3G（FDD主）上行1920MHz～1980MHz。

（3）3G（FDD補）下行（1850MHz～1880MHz）與3G（TDD主）（1880～1920MHz）為相鄰關(guān)系，容易產(chǎn)生互調(diào)干擾。

（4）3G（TDD補）（2300MHz～2400MHz）和WLAN（2400MHz～2483.5MHz）也為相鄰關(guān)系, 容易產(chǎn)生互調(diào)干擾。

4.2 上行底噪聲隨基站數(shù)增加而升高

由于各移動通信網(wǎng)基站接收機的射頻輸入端RF濾波器的阻帶抑制度不夠高，過渡帶不夠陡，其他網(wǎng)絡(luò)基站的下行強信號難免會通過RF濾波器進入本網(wǎng)基站的低噪放（LNA）。LNA為有源放大器，存在非線性特征。因此，LNA難免會產(chǎn)生各階互調(diào)分量，其中有的互調(diào)分量處于本網(wǎng)基站的通帶之中，造成干擾使底噪聲抬高。雖然LNA產(chǎn)生的互調(diào)有大有小，鄰近基站下行的互調(diào)比較大，遠處的高階互調(diào)比較小，但基站密集區(qū)的干擾將積累成巨大的能量，使信號載噪比下降，從而使信號的傳輸質(zhì)量下降。由此可以推測，隨著3G基站的大量建設(shè)，3G與2G網(wǎng)絡(luò)形成的底噪聲將進一步抬高。

4.3 CDMA網(wǎng)絡(luò)基站應用超導濾波器優(yōu)化效果明顯

中國聯(lián)通CDMA上行頻率為825MHz～835MHz，在該頻段附近沒有比較強的其他各網(wǎng)基站的下行信號，但是仍然遇到了互調(diào)干擾和底噪聲增加的問題。根據(jù)美國STI公司在兩年前曾在我國5個城市（北京、深圳、秦皇島、惠州和陽江）所做的CDMA超導濾波器的試驗，在CDMA基站接收機前端用超導濾波器之后與用原基站的RF濾波器進行對比，CDMA的平均話務量增加20%，掉話率下降60%，接通率升高55%，手機發(fā)射功率下降3dB～8dB，在秦皇島和陽江海面覆蓋距離增加40km～60km。這些實測的對比數(shù)據(jù)表明，我國移動通信網(wǎng)絡(luò)基站底噪聲普遍升高的現(xiàn)實，以及超導濾波器可以明顯改善信號質(zhì)量。

美國STI公司目前已在美國的CDMA網(wǎng)和GSM網(wǎng)上應用超導濾波器將近7000臺，均起到了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的效果。我國3G網(wǎng)絡(luò)即將開始大規(guī)模建設(shè)，為了保證和提高TD-SCDMA上行鏈路的性能，應該考慮采用超導濾波器，以確保3G移動通信網(wǎng)絡(luò)在線取得成功。

5 TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)基站適宜加載超導濾波器

5.1 加載超導濾波器將極大地改善基站性能

當大量建設(shè)TD-SCDMA基站時，由于TD-SCDMA采用結(jié)構(gòu)較為復雜的智能天線，其非線性將超過其他FDD制式的普通基站的天線，也就是說TD-SCDMA將受電磁環(huán)境影響的底噪聲增加量可能會高于FDD制式基站的底噪聲增加量。因此，TD-SCDMA基站如果采用超導濾波器進行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，在改善傳輸信號質(zhì)量、掉話率、接通率、通信容量等諸多方面將產(chǎn)生更加明顯的效果。

5.1 適用超導濾波器的場合

(1) 基站遠距離覆蓋區(qū)域

因為超導濾波器可以提高基站接收機的靈敏度，加裝超導濾波器可以明顯改善超遠基站站距上行鏈路性能，減少同一覆蓋區(qū)域內(nèi)的基站數(shù)量。

(2) 基站近距離覆蓋區(qū)域

此種情況下，只能利用超導濾波器的頻率選擇性能，克服干擾，降低基站底噪聲，改善傳輸信號的質(zhì)量。

(3) 鄰近頻段基站覆蓋區(qū)域

目前，我國存在頻段間隔較小的不同制式的移動通信網(wǎng)絡(luò)，而超導濾波器是有效抑制某基站下行對其他基站上行干擾的方法。

5.2 提高無線電頻譜資源有效利用率

近年來，我國移動通信網(wǎng)絡(luò)的基站迅猛增多，使得無線電干擾與電磁環(huán)境的日益惡化，降低了已經(jīng)甚為緊缺的無線電頻譜有效利用率。在這種情況下，無線電管理部門可以選擇采用如超導濾波器等新技術(shù)來凈化電磁環(huán)境，提高頻譜利用率。

6 結(jié)束語

超導濾波器利用了導體在超低溫時導體表面電阻近似為零的特性，使多級濾波器具有了極高的Q值，從而擁有極小的帶內(nèi)損耗、非常高的帶外抑制和非常陡峭的過渡帶特性。它可以用在任何制式的無線接收機內(nèi)，可以較大地改善移動通信網(wǎng)絡(luò)上行鏈路的特性：提高可用靈敏度、選擇性等。其優(yōu)異的抗干擾特性可消除遠離接收頻帶的各種干擾，也能解決接收頻帶附近的強信號使接收機發(fā)生互調(diào)干擾的問題，還可以使基站接收機底噪聲下降。

我國移動通信即將進入3G時代，而3G網(wǎng)絡(luò)對射頻系統(tǒng)提出了更高的要求。隨著超導濾波器國產(chǎn)化進一步加深，其成本將進一步降低，相信超導濾波器必將為3G通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展作出貢獻。